Starship готов к первой попытке запуска. NSF⁠⁠

Авторы Джастин Дэвенпорт, Энтони Иемоле и Алехандро Алькантарилла Ромера. 16 апреля 2023 года
Первоисточник:

Самая мощная ракета в истории мира должна совершить свою первую попытку запуска в понедельник, что станет первым важным шагом к тому, чтобы сделать жизнь многопланетной. Старт Starship со Starbase, штат Техас, должен состояться в течение 2,5-часового «пускового окна», которое открывается в 07:00 по Гринвичу. Сила ветра является единственным фактором наблюдения в качестве потенциального ограничения к запуску.

YouTube

Предыстория полета

С момента 150-метрового полета Starhopper в августе 2019 года и по настоящее время SpaceX работает над несколькими аппаратами, чтобы полностью разработать Starship. Испытательные прототипы с серийными номерами (SN) 1-6 использовались для проверки качества сборки баков Starship, при этом SN5 и SN6 также помогали собрать первые данные в полете.

Более поздние прототипы с SN8 по SN15 использовались компанией для тестирования чрезвычайно сложных маневров в воздухе, переворачивания и торможения при посадке, необходимых для поворота Starship из горизонтального положения в вертикальное при заходе на посадку. После нескольких попыток и одного почти промаха, наконец, была достигнута успешная посадка прототипа SN15.

Примерно в это время фокус внимания сместился, и компания приступила к разработке Super Heavy, ракеты-носителя Monster, которая является первой ступенью Starship. Было сделано несколько прототипов, поскольку команды выясняли наилучшую конструкцию ракеты-носителя для первого комплексного полета системы.

Итеративный подход к проектированию также включал решения, как отказ от запуска Booster 4 и Ship 20 после нескольких месяцев работы над ними во время подготовки к первому испытательному полету. Вместо этого SpaceX решила пойти дальше и использовать Booster 7 и Ship 24 – каждый из которых может похвастаться существенными улучшениями по сравнению со своими предшественниками – для этой исторической вехи программы.

Эти аппараты были произведены в период с конца 2021 по начало 2022 года, а первый вывоз Booster 7 на стартовую площадку состоялся 31 марта 2022 года – около года назад. В ходе тестовой кампании ракеты-носителя возникло несколько проблем – как и следовало ожидать от разрабатываемых аппаратов, - но в конечном итоге они были решены.

YouTube2:18

Во время криогенного испытания 17 апреля 2022 года топливопровод Booster 7 был разорван и поврежден, и командам пришлось откатить носитель на производственную площадку для ремонта. 11 июля Booster 7 провел первичное испытание с 33 двигателями, которое закончилось внезапным и сильным взрывом под носителем. Позже это было связано с аномально высокой концентрацией газообразного метана, смешанного с окружающим воздухом, который в конечном итоге сдетонировал от источника воспламенения и взорвался.

Тестовая кампания Booster 7 также была успешной. Он стал первым кораблем, который был испытан в статическом прожиге на орбитальной пусковой установке (OLM) и в конечном итоге 9 февраля 2023 года провел испытание на статический прожиг 31 двигателя.

Тестовая кампания Ship 24 также имела ряд проблем и успехов. Его самое первое испытание, испытание на герметичность при температуре окружающей среды, было прервано, когда ошибка настройки теста вызвала скачок давления на трубопроводе внутри отсека полезной нагрузки, который повредил часть корабля.

Этот корабль также был первым, кто выполнил статические огневые испытания с шестью двигателями, оснащенными более мощными двигателями Raptor 2. Оглядываясь назад, можно сказать, что это испытание окажется решающим, поскольку структурные обзоры показали потенциальное слабое место в кормовой части корабля. Позже эта кормовая секция была усилена, а на более поздних кораблях были внесены конструктивные изменения, чтобы избежать этой проблемы.

Ship 24 и Booster 7 в настоящее время находятся в полной комплектации и снова будут служить в качестве тестовых аппаратов, которые будут информировать о будущем прогрессе в проектировании и эксплуатации Starship. Во время этого полета снова будет использован подход SpaceX к разработке «тест, сбой, исправление».

Обратный отсчет и полет

Попытка запуска в понедельник начнется со знакомых этапов, замеченных во время предыдущих тестов, начиная с закрытия трассы.

Как только SpaceX будет готова, шерифы начнут расчищать пляж Бока-Чика и прилегающую территорию, чтобы убедиться в отсутствии постороннего персонала в этом районе во время попытки запуска. После того, как это будет завершено, шерифы перекроют дорогу в заранее определенном месте вдоль шоссе №4, чтобы убедиться, что никто не сможет проехать к старту.

Во время попытки запуска в понедельник дорога может быть закрыта уже в 12:00 по восточному времени (05:00 UTC) и в настоящее время планируется, что она продлится до 14:00 по восточному времени (19:00 UTC).

Сотрудники SpaceX могут по-прежнему присутствовать на площадке после закрытия трассы, поскольку команды работают над завершением заключительных работ и проверок перед полетом. По завершении все рабочие, оставшиеся на площадке, очистят стартовую площадку и уедут по шоссе №4 на другую сторону блокпоста, установленного шерифами.

После того, как стартовая площадка будет очищена, SpaceX начнет готовить резервуарный парк перед загрузкой топлива в ракету. Это будет видно по тому, как жидкий кислород (LOX) и жидкий метан (CH4) со стороны резервуарного парка накачиваются и выпускаются, когда топливные системы начинают охлаждаться.

Это сделано для того, чтобы различные трубы, насосы, клапаны и т.д. могли медленно остыть до температуры, близкой к температуре обоих криогенных компонентов топлива, чтобы избежать любого теплового удара, возникающего в системах при заправке ракеты.

В течение этого периода орбитальная пусковая установка (OLM) и стартовая башня также начнут выпускать воздух, поскольку охлаждаются топливопроводы, идущие как к разгонному устройству, так и к быстроразъемным соединительным кабелям корабля (QDs).

В T-2:00:00 руководитель запуска даст разрешение на загрузку топлива в обе ступени Starship.

Если не будет сообщений о проблемах, загрузка топлива начнется в T-1:39:00. Заправка начнется с подачи жидкого кислорода и метана в Booster 7. Как только начнется загрузка, на обоих баках начнет образовываться иней, который продолжит расти по мере увеличения количества криогенной жидкости внутри баков.

Загрузка Ship 24 начнется в T-1:22:00 с подачи жидкого метана в топливный бак корабля, за которым вскоре последует загрузка жидкого кислорода в T-1: 17:00. Оба этих события будут похожи на запуск ракеты-носителя, поскольку снаружи корабля также образуется иней.

YouTube10:14

Следующим важным событием в обратном отсчете будет охлаждение 33 двигателей Raptor 2 на Booster 7. Через 16 минут и 40 секунд через все двигатели пройдет небольшое количество топлива, чтобы медленно охладить их до рабочих температур. Это сделано, как и в случае с резервуарным парком и системами загрузки топлива, чтобы избежать теплового удара и повреждения многих компонентов внутри двигателей.

Через T-40 секунд топливные внешние интерфейсы начинают свою последовательность сброса. Это должно привести к тому, что топливопроводы, соединяющие разгонный блок и корабельные QDS, сбросят все оставшееся в них топливо, чтобы минимизировать повреждения во время старта.

Последовательность запуска двигателя Raptor начнется на T-8 секундах, когда все 33 двигателя Raptor 2 запускаются в шахматном порядке, прежде чем разогнаться до уровня полетной тяги. Ожидается, что во время этого испытательного полета двигатели не будут работать на 100% тяге, а вместо этого будут работать на несколько меньшей ~ 90% тяге.

При таком уровне тяги Booster 7 официально станет самой мощной ракетой, когда-либо запущенной, создавая тягу приблизительно в 66 723 кН (15 000 000 фунтов-на-весу). Предыдущий рекорд принадлежал ракете H1 Советского Союза, которая имела стартовую тягу 45 400 кН (10 200 000 фунтов на квадратный дюйм).

Если во время обратного отсчета и зажигания двигателя все остается в штатном режиме, 20 стартовых зажимов, удерживающих Booster 7 на стартовом столе OLM, расцепятся, и Starship оторвется от площадки при T=0.

Как только произойдет взлет, механизм QD Ship, через который идет закгрузка ракетным топливом Ship 24, отсоединится и немедленно начнет отклоняться от, чтобы избежать столкновения с ракетой, а также защитить механизм от выхлопа 33 двигателей Raptor 2.

Через несколько секунд Starship покинет башню и начнет медленно отклоняться в сторону Мексиканского залива, когда полный стек начнет свой гравитационный разворот.

Если после старта все останется в штатном режиме, Stareship испытает max-Q, период максимальной аэродинамической нагрузки на ракету, примерно через 55 секунд после старта. Это будет серьезным испытанием общей конструкции как Ship 24, так и Booster 7.

YouTube13:10

Booster 7 продолжит работать примерно еще две минуты и 49 секунд после старта. На данный момент все 33 двигателя отключатся в результате события, известного как BECO (отключение разгонного двигателя). Если все останется в штатном режиме, BECO произойдет, когда аппарат будет находиться на высоте примерно 64 км (~ 40 миль) и быстро набирать высоту и скорость.

Затем Ship 24 отделится от Booster 7 примерно через четыре секунды и будет удаляться от ракеты-носителя в течение пяти секунд. Затем Ship попытается запустить свои три двигателя Raptor 2, оптимизированные для работы на уровне моря и три двигателя оптимизированные под вакуум, расположенные внутри кормовой части корабля.

Если все шесть двигателей включатся успешно, ожидается, что Ship 24 отработает примерно шесть минут и 23 секунды, при условии номинальной работы всех двигателей. В связи с тем, что это очень амбициозный испытательный полет, SpaceX решила не выводить Ship 24 на стабильную орбиту, а вместо этого не дойдет до полного выведения на орбиту, выводя его на траекторию повторного входа в атмосферу над Тихим океаном к северо-западу от Гавайев без каких-либо дополнительных запусков двигателей, необходимых либо для торможения или довыведения на орбиту.

В то время как Ship 24 выполняет свой полет, Booster 7 начнет разворачиваться сразу после отделения ступени и повторно запустит свои 13 двигателей во внутреннем кольце для выполнения торможения чуть более чем через три минуты после старта. Торможение на двигателях продлится примерно 55 секунд и выведет аппарат на курс, который приведет к приводнению в Мексиканском заливе примерно в 31 км (~ 19 миль) от побережья Техаса.

В отличие от Falcon 9, Booster 7 не будет выполнять конечное торможение перед посадкой. Поскольку Super Heavy изготовлен из нержавеющей стали, торможение при входе в плотную атмосферу не требуется из-за более высокой термостойкости стали по сравнению с алюминиевым сплавом, из которого изготовлен Falcon 9.

Booster 7 продолжит снижение, используя свои четыре решетчатых стабилизатора, чтобы помочь ей сориентироваться и направиться к намеченной зоне посадки в Мексиканском заливе. Ожидается, что аппарат перейдет на околозвуковой режим примерно через семь с половиной минут после старта, а окончательное торможение двигателями при посадке начнется примерно через 10 секунд.

Посадочный цикл продлится около 23 секунд и будет использовать три самыми внутренних двигателя Booster 7, при этом ожидается, что ускоритель ударится о воду со скоростью примерно 8,5 м / с (19 миль в час).

Через десять секунд после приводнения Booster 7 перевернется на бок. В случае, если опрокидывание не приведет к разламыванию корабля на части, будет дана команда открыть вентиляционные клапаны, расположенные на обоих топливных баках, чтобы позволить воде проникнуть в баки в попытке его затопить.

Однако, если это не сработает, SpaceX представила планы FAA о других потенциальных вариантах уничтожения ракеты-носителя. Один план включает в себя использование морского судна и буксирного троса для переворачивания Booster 7 на борт, который позволил бы воде проникать внутрь через уже открытые вентиляционные отверстия бака, в то время как другой план предполагает прокалывание отверстий в стенках бака с использованием огнестрельного оружия – хотя ожидается, что этот план не понадобится, поскольку ожидается, что Booster 7 затонет, как только вода попадет в топливные баки.

Конечная цель SpaceX - вернуть сверхтяжелые ускорители обратно на стартовую площадку и использовать большие «палочки для еды», установленные на стартовой вышке, чтобы «поймать» ускорители, когда они заходят на посадку. Мы надеемся, что это позволит быстро заменить ускорители, поскольку не требуется никаких средств восстановления, и транспортные средства могут быть размещены непосредственно обратно на стартовую платформу вскоре после приземления.

Как только Ship 24 отключит двигатель, он будет находиться в полете чуть более часа, в течение которого корабль использует все топливо, кроме почти 14 тонн (10 тонн LOX и 4 тонны CH4), чтобы сохранить необходимое количество балласта во время возвращения.

Если аппарат переживет почти 10-минутную фазу возвращения в атмосферу, Ship 24 перейдет на околозвуковой режим менее чем через полтора часа после старта со Starbase.

В этом полете, аналогичном запуску Booster 7, попытки восстановления корабля предприниматься не будут. Однако, в отличие от ракеты-носителя, Ship 24 не будет совершать аварийную посадку и, как ожидается, врежется в океан на предельной скорости примерно через полтора часа после старта.

Что будет дальше

Следующий этап испытаний Starship и Super Heavy зависит от результатов первого испытательного полета. Если полет совершится контролируемым возвращением, SpaceX попытается определить местонахождение устройства записи данных, оснащенного сигналом GPS-слежения ( «черный ящик» ), одного из двух, установленных на Ship 24. Если будет обнаружен самописец, могут быть отправлены аквалангисты для его извлечении.

Кроме того, Ship 24 и Booster 7 будут передавать телеметрию в реальном времени в систему интеграции космических данных FAA, которая используется FAA для планирования ограничений воздушного пространства в режиме реального времени. У SpaceX будут средства отслеживания, включая тарелки на Starbase, работающие на прием телеметрии.

Независимо от результата, SpaceX будет внимательно изучать полученные данные как на самом деле вел себя аппарат во время полета. Рабочие на Starbase также будут восстанавливать систему отвода воды под орбитальной пусковой установкой для использования во время будущих полетов, и эта работа может занять несколько месяцев.

Следующие два рейса Starship в настоящее время не будут оборудованы для возвращения в атмосферу, и Booster будет запрограммирована на падение в океан аналогично первому испытательному полету Starship и Super Heavy. Предполагается, что Ship 26 и 27 будут выполнять эти полеты вместе с Booster 9 и 10.

Ship 26 и 27 не оборудованы закрылками или плитками теплозащитного экрана, поэтому они не смогут пережить повторный вход или последующую посадку. Сверхтяжелые ускорители, начиная с Booster 9, заменят гидравлические силовые агрегаты, установленные на Booster 7, на электрический подвес двигателей и других функций.

Вероятно, будут протестированы другие усовершенствования как Ship, так и Booster в соответствии с итеративной философией проектирования SpaceX. Starship, который совершит оперативный полет через несколько лет, будет сильно отличаться от того, который ожидает запуска в понедельник.

Для следующих двух испытательных полетов SpaceX определила зону в 1815 км к юго-западу от Кауаи, куда упадут обломки от распада Ship 26 и 27. Корабли будут кувыркаться во время входа в атмосферу до их распада, который произойдет на высоте от 50 до 70 километров.

Сроки и цели следующих двух испытательных полетов будут определены по результатам первого полета и состоянию орбитальной стартовой площадки. Даже в лучшем случае, вероятно, пройдет несколько месяцев, прежде чем будет готов второй испытательный полет Starship. Любое серьезное повреждение орбитальной стартовой площадки, вероятно, потребует значительного времени для восстановления.

YouTube23:38

Даже если полет Ship 24 и Booster 7 будет полностью успешным, в какой-то момент необходимо будет протестировать способность системы выходить на полную низкую околоземную орбиту, перезапускать двигатели Raptor в космосе и выполнять сход с орбиты. Развертывание полезной нагрузки и заправка космического топлива также ожидают во время этого орбитального тестирования.

Тем не менее, Ship 26 и Ship 27, похоже, в настоящее время планируются летать по профилю, аналогичному Ship 24. Это означает, что ни один из кораблей не выйдет на полную низкую околоземную орбиту. На Ship 26 отсутствует средство развертывания Starlink (прозванное «Дозатором Pez»). Ship 27 действительно оснащен таким механизмом, но нет никаких свидетельств о каком-либо плане развертывания спутников с его помощью.

Через некоторое время после третьего испытательного полета системы Starship, в зависимости от результатов полетов ракеты-носителя, будет протестирован процесс захвата ракеты-носителя с помощью рычагов Mechazilla «палочками для еды». Метод восстановления самого Starship будет доработан, особенно с учетом того, что посадочные опоры в конечном итоге понадобятся для лунного модуля HLS, производного от Starship. Илон Маск предложил использовать «палочки для еды», чтобы также ловить корабли, однако об этой идее некоторое время никто не слышал.

Независимо от результата первого запуска Starship в космос, человечество находится на пороге новой эры освоения космоса. Вот-вот начнутся испытания космического аппарата, предназначенного для полного повторного использования, что может сделать возможными вещи, о которых мы сегодня можем только мечтать.

Фотографии от Ника (@NicAnsuini) и Джека Бейера (@thejackbeyer для NSF).

Следите за обновлениями в режиме реального времени в аккаунте NASASpaceflight в Twitter и в разделах форума NSF Starship.